MeV ガンマ線観測実験 SMILE-3 に向けた 高角度分解能を目指した装置開発
津田雅弥、谷森達、高田淳史、水村好貴A、池田智法、吉川慶、竹村泰斗、
中村優太、小野坂健、齋藤要、阿部光、荻尾真吾、吉田 有良、
窪秀利、黒澤俊介B、身内賢太朗C、澤野達哉D、濱口健二E 京大理、A:JAXA、B:東北大、C:神戸大、D:金沢大、E:メリーランド大
1 MeV ガンマ線天文学
数百keVから数十MeVまでのMeVガンマ線領域は励起原子核からの脱励起線を観測できる帯域であ り、元素合成の様子や合成された元素の拡散の様子を観測することができる。また、活動銀河核での粒子加 速や最遠方のガンマ線バースト観測など非常に重要な領域である。しかし、MeV領域はコンプトン散乱優位 のエネルギー帯であり、また検出器と宇宙線が相互作用することでMeV程度のエネルギーを持った大量の バックグランドを生成するため、観測が難しい。1991年にはコンプトン法を用いたMeVガンマ線望遠鏡の COMPTELを搭載したCGRO衛星が打ち上げられたが、LAT/Fermi 衛星が30〜100 MeVの帯域での8 年の観測で200天体程度を発見している[2]のに対し、COMPTELが発見した定常天体の数は10年の観測で 30個程度にとどまった[1]。MeV観測技術が向上すれば、未発見の天体や未解明の物理を数多く観測するこ とができる。我々はMeVガンマ線領域の観測を進めるため、ETCC(Electron-Tracking Compton Camera) の開発を行っている。ETCCはコンプトン散乱を用いた検出器であり、反跳電子の飛跡とエネルギーを得る ためのガス飛跡検出器TPCと散乱ガンマ線のエネルギーと吸収点を求めるためのピクセルシンチレーション 検出器を組み合わせている。従来の観測手法と異なり、ETCCでは1イベント毎にコンプトン散乱を再構成 し、入射ガンマ線のエネルギーと到来方向を求めることができる。また、電子飛跡による粒子識別やコンプト ン運動学によるカットなど高いバックグラウンド除去能力を持つ。
我々はETCCを用いた科学観測を行うためにSMILE(Sub-MeV/MeV gamma-ray Imaging Loaded-on- balloon Experiment)計画を進めている。次期計画のSMILE-3では長時間の気球観測を行い、様々な天体を 観測する。最終的には人工衛星にETCCを搭載しての全天観測を行い、〜1 mCrabの感度を目指す。本報告 ではSMILE-3の要素開発について述べる。
2 SMILE-3 に向けた装置開発
SMILE-3にむけて現在SMILE-2+の有効面積5倍以上、角度分解能2〜3倍を目標に装置開発を行ってい る。SMILE-2+でのETCCはガス飛跡検出器としてμ-PICを用いたTPCとGSOシンチレータアレイと PMTを組み合わせたシンチレーション検出器から成る。本報告ではµ-PICの改良とシンチレーション検出 器の光検出器部分の変更について述べる。
2.1 三軸µ-PIC
µ-PICは比例計数管の輪切り構造をした二次元ガスイメージング検出器である。特徴としてはピクセル間 隔が400 µm、単体でもmax〜15000という高い増幅率やRMS〜120 µmという高い位置分解能を持ち、1 か月を超える安定動作が可能(@ゲイン6000)である[4][5]。SMILE-2+では電力の削減のためアノードとカ ソードをストリップ毎に読み出している。そのため再構成される荷電粒子の飛跡の形が長方形になり、三次元 飛跡に偽の像を生成し、真の飛跡の決定に大きな不定性を残す。この問題を解決するために現在のµ-PICに
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もう1軸を追加した三軸µ-PICを作成した。もう1軸追加することで、三次元飛跡の不定性をある程度解く ことが可能になり、電子の反跳方向の決定精度の向上が期待できる。大日本印刷との共同研究で作成した三 軸µ-PICを図1に示す。三軸µ-PICは最密充填なピクセル配置をしており、各軸のなす角は120 °になっ ている。実際に三軸µ-PICで取得したエネルギースペクトルを図2に示す。図2のように電荷積分により3 軸全てで55F e線源を置いた時のスペクトルを確認することができた。電荷比としてはanode : cathode上: cathode下 ≃3 : 2 : 1になっていた。また、全面でエネルギー分解能は20.6 %(FWHM)を達成した。次 に図3にゲインカーブとゲインの位置依存性を示す。ゲインに関しては3軸化以外は同じ構造をしているた め、TGVµ-PIC(ガラス基板を用いたµ-PIC)[6]と同程度のゲインを達成。また、ゲインの最大値はひとま ず1.4×104までは確認することができた。ガス利得の場所依存性についても小さく抑えることができてい る(σ/mean = 0.6%)。さらに図4に示すように三軸全てのコインシデンスを取り、X線透過画像を得るこ とにも成功した。最後にTPCとして動かした際の三軸µ-PICで取得した電子飛跡の例を図5に示す。三軸 µ-PICでも二軸µ-PICと同程度のゲインやエネルギー分解能を達成し、飛跡も取得できた。三軸µ-PICの開 発は順調に進んでいる。
図1 開発した三軸µ-PICの写真。
大日本印刷との共同研究により開発。
図2 三軸µ-PICで取得したエネルギースペク トル。左側がanode、右上が上cathode、右下 が下cathode。
図3 三軸µ-PICのgain curve(左)とgain map(右) 図4 三軸µ-PICで取得したX線透過画像。
左側が55F e線源を置き、µ-PIC全面に照射 した時。右側が銅箔テープを貼ったµ-PICに
55F e線源を置き、全面に照射した時。
2.2 PMTからMPPCへ
MPPC(Multi-Pixel Photon Counter)とは浜松フォトニクス社によって開発された半導体検出器である。
増幅率が105〜106と高く、動作電圧はMPPC(S14161-3050HS-08、浜松フォトニクス社)で40 Vと低い。ま た、温度依存性がある。SMILE-2+で使用していたPMTは動作電圧が1000 V程度と高く、価格もMPPC
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図5 TPCとして動かした三軸µ-PICで取得した電子飛跡の例。線源は133Baを用いている。図は三軸 のコインシデンスを取ったもので、各軸単位はcmである。
のほうが安価である。量子効率に関しても現在採用しているGSOシンチレータの発光波長440 nmでは PMT(H8500C、浜松フォトニクス社)〜20 %、MPPCは(S14161-3050HS-08、浜松フォトニクス社)〜50 %。 特に気球実験であるSMILE-3ではPMTより重量が軽く、サイズもコンパクトな上、動作電圧が低く、消費 電力が抑えられるメリットがある。以上のことからSMILE-3ではPMTの変わりにMPPCを用いることを 検討している。
MPPCの読み出し回路としてMPPCのHead Amp Boardを作製した(図6)。MPPCのHAはMPPC 基板、amp基板、ADC基板、FPGA基板からなり、HAのみでデータ取得が可能になっている。MPPCは 浜松フォトニクス社のS14161-3050HS-08を使用している。SMILE-3に向けて、MPPC基板ではMPPCに 抵抗チェーンを設置し、4端で読み出しをすることで、回路数や消費電圧を削減している[7]。amp基板では high gain、low gainの二つのampを搭載することで、ダイナミックレンジを拡大している。温度依存性の対 策としてHAに温度計を載せ、その値を用いてMPPCにかける電圧を調整することで対応する。
現在、トリガー方式に関しても変更を考えており、SMILE-2+でのシンチレータの信号をトリガーにする 方式からTPCの信号をトリガーにすることを考えている。シンチレータのhit rateはTPCより2桁多いた め、従来の方法では不感時間が多くなってしまう。そこでTPCトリガーにすることで不感時間を大きく減ら すことが可能になる。このトリガー方式に対応するため、ADC基板には従来のpeak hold ADCではなく、
サンプリングADCを使用することで、波形の情報を取得し、時間情報を取得可能になり、また複数の信号の 切り分けが可能になる。このとき求められる性能はコンプトン散乱点のz座標をµ-PICの空間分解能と同程 度の精度で求められる時間分解能である。散乱点のz座標はドリフト速度とドリフト時間で求めるため、ドリ フト速度を4 cmµsとすると、µ-PICの空間分解能400 µsを得るには〜10 nsの時間分解能が必要になる。
そのため時間分解能の調査を行っていく予定である。
実際にHAで取得した137Cs線源を置いた時のスペクトルを図7、位置情報を図8に示す。GSOシンチ レータは8×8のアレイ型で、1ピクセルが6mm×6mm×13mmである。スペクトルに関しては137Csの 662 keVのピークをエネルギー分解能7〜8 %(FWHM)を達成した。PMTでのエネルギー分解能が〜10 % 程度であるので、エネルギー分解能を改善することができた。また、位置情報についても図8に示したように 8×8のピクセルを区別することができている。PMTからMPPCに変更することで、エネルギー分解能が良 くなり、位置情報も正確に得ることができることが分かった。これからは先ほどの時間分解能の調査や温度依 存性の調査、ETCCとしての動作試験を行っていく。
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図6 MPPCのhead amp board。比較のため、PMTのhead ampも載せている
図7 MPPCHAで取得した137Cs線源を置い た時のスペクトル
図8 MPPCHAで取得した137Cs線源を置い た時の位置情報図(バタフライ図)
3 まとめと今後
長時間気球を用いた科学観測を行う次期計画のSMILE-3に向けて、SMILE-2+での検出器の有効面積>5 倍、角度分解能2〜3倍を目標にしている。目標を達成するための取り組みとして、三軸μ-PICの開発やシン チレーション検出器のPMTからMPPCの変更を行っている。三軸μ-PICの開発では、3軸全てで55F e線 源を置いた時の信号を確認し、エネルギー分解能20.6 %(5.9 keV, FWHM,全面)を達成した。また、ゲイン カーブやX線透過画像の作成を行い、TPCとして動作させたときの飛跡も確認した。今後はSMILE-2+で のArベースの二気圧のガスをCF4ベースの三気圧の気体へ変更し、電子密度を上げ、コンプトン散乱の確 率を上げることを考えている。MPPCの使用については、読み出し回路を作製し、エネルギー分解能を7〜 8 %(FWHM)を達成した。今後は時間分解能、温度依存性の調査を行い、ETCCとしての動作確認を行って いく。
参考文献
[1] V. Sch¨onfelder, et al., A&AS, 143 (2000) 145-179 [2] G. Principe, et al., A&A, 618 (2018) A22 [3] A. Takada, et al., ApJ 733 (2011) 13
[4] K. Miuchi, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. (2003) 50 825-830 [5] K. Miuchi, et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2004) 535 236–241 [6] M. abe, et al., J. Phys. Conf. Ser. (2020) 1498
[7] H. Sekiya, et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2006) 563 49
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